CN103135019A - 一种基于电力广域网的电能质量监测管理*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电力广域网的电能质量监测管理***，该***由数据采集子***、地区管理子***和电能质量监测中心子***三部分构成，所述的数据采集子***用于将从现场采集到的电压、电流信号加工处理，以PQDIF数据格式存储，并将加工后的电能质量数据实时上传至地区管理子***，所述的地区管理子***用于连接数据采集子***和电能质量监测中心子***，并汇总和存储电能质量实时和历史数据，以及实现应用服务的功能，所述的电能质量监测中心子***功能包含地区管理子***的所有功能，相当于各地区管理子***的集合，是整个***的综合管理机构，负责管理主网架，以及对***电能质量污染严重的点、区域重点监控，对局域电网上传数据进行汇总，从而对整体电网运行的电能质量水平做出综合评估。

Description

一种基于电力广域网的电能质量监测管理***

技术领域

本发明公开了一种基于电力广域网的电能质量监测管理***，涉及电能质量监测领域。

背景技术

电能质量的监测和分析是对电力***进行治理而改善其电能质量的前提条件，当前国内电能质量的监测大多采用综合的电能质量分析仪或谐波分析仪等，难以进行同一供电***不同地点相关电能的同步测量及测量数据的传输和集中分析、评估。因此，有必要建立一套电能质量的远程、集中监测与分析***，对影响电能质量的波形畸变、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等指标进行分析，及时找出影响电能质量的原因，保证电网安全、可靠、经济运行。

目前由于各类监测仪器厂商采用各自的数据存储格式，使得监测的电能质量数据格式不统一。为此，IEEE委员会提出了电能质量数据交换格式PQDIF（Power Quality Data Interchange Format）。它不仅较好地解决了多数据源数据的统一处理问题, 还实现了电能质量相关指标物理属性的多角度观察, 成功解决了监测设备和管理***的兼容问题，实现了数据共享。

随着智能电网的飞速发展，电能质量监测技术发展的新趋势是网络化、信息化、标准化、智能化。建立和完善电能质量在线监测***，除了必须以实用性、先进性、可靠性、可扩充性和易维护性为基本原则，使监测网络***具有较高的综合性能，还应结合电能质量的特殊要求，包括以下内容：

1. 将电能质量的在线监测与电能质量的技术监督有机结合起来，及时发现和消除电网中的薄弱环节，给电力营销提供管理依据，加强电网电能质量的管理与监控，使地区各级电网的电能质量的监测和管理在统一的计算机网络程序中规范运转。

2. 在一定范围内建立联网，构建电能质量数据中心，并在此基础上建立面向管理层的综合信息查询***，通过因特网查询各种数据和报表了解电网运行状况，以提高工作效率。

3. 建立电能质量实时监测查看***，可以随时查看各个站点实时监测数据及波形。

4. 建立专职人员学习交流的场所，如以公告形式张贴技术资料及国标等，提供技术论坛供其交流经验。

5. 使用统一的电能质量数据交换格式使***建立在统一的数据平台上，使不同的数据源具有兼容性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于电力广域网的电能质量监测管理***，该***符合我国电力***特点，实现了分层分权限管理，覆盖区域电网的实时监测***使电能质量监测满足电力工业网络化、信息化、标准化和智能化的发展需求。

本发明提出的电能质量监测管理***由数据采集子***、地区管理子***和电能质量监测中心子***三部分构成，通过分层、分权限实现对电网电能质量的分析和管理。

所述的数据采集子***，包括DSP模块、ARM模块、信号调理模块、抗混叠滤波模块、A/D转换模块、串口通信、双口RAM、时钟电路、GPS定位、人机交互接口、通信模块等模块。

数据采集子***的现场监测装置一般安装在变电站、发电厂、主网节点、重要电力用户等。监测装置以DSP和ARM为核心，DSP芯片主要完成对电能质量数据的采集、检测算法、数据格式标准转换等功能，ARM芯片主要完成对数据汇总、LCD显示、数据存储、远程通信等功能。ARM和DSP之间通过UART串行接口和一个双口RAM来相互传输信息和存储数据。

所述的信号调理模块电路由光电隔离器、霍尔效应的传感器、自动增益控制等电路组成,实现对电压和电流信号的精确采集,确保整体数据处理分析的精度。

所述的GPS定位***是为了保证不同监测点的监测数据的同步性，提高数据的横向可比性。

所述的人机交互接口包括触摸屏控制和LCD显示器。 

所述的通信模块包括USB接口、有线通信接口(RS-485、CAN、以太网)、无线通信接口(GPRS)，通过USB接口可以方便本地下载，通过有线通信接口和GPRS可将数据上传至地区管理***。

数据采集子***主要功能是将现场采集的电压、电流信号加工处理，以PQDIF数据格式存储，并将加工后的电能质量数据实时上传。

所述的地区管理子***一般以市级供电公司为单位，由局域网的数据库服务器和 Web 服务器构成，包括数据库模块、Web模块、通信软件模块、专家分析模块、数据转发模块等模块。所述的数据库服务器中的数据库采用由美国电科院和美国电力士公司共同开发的电能质量数据库管理软件PQview，PQview数据库软件功能强大，易于PQDIF文件的存储和分析。通过Web可以浏览到包括webGIS界面、数据分析及报表、数据查询及显示和趋势波形曲线。所述的Web 服务器信息发布是基于B/S（Browser/Server）模式的。基于B/S模式的三层体系（客户层、服务器层、数据层）相比传统的C/S（Client/Server）模式具有配置管理便捷、操作灵活、信息共享度高、可伸展性扩张性强等显著优点。

地区管理子***负责管理所辖区域内的电能质量状况，上报地区电能质量数据分析报告，并通过由Web组成的信息查询***发布电能质量信息和专家分析模块的预测信息等。

所述的电能质量管理中心子***一般以省级电网为基础，由电能质量监测中心数据库服务器、Web 服务器和管理终端构成，功能包含地区管理子***的所有功能。主要负责管理主网架，以及对***电能质量污染严重的点、区域重点监控，对局域电网上传数据进行汇总，从而对整体电网运行的电能质量水平做出综合评估，包括对事件的分析与判断、电能质量的预报、故障及质量下降的诊断分析、改善质量的控制指令等。最后形成全省的电能质量分析报告。

本发明的技术方案如下：

一种基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征在于，该***由数据采集子***、地区管理子***和电能质量监测中心子***三部分构成，所述的数据采集子***用于将从现场采集到的电压、电流信号加工处理，以PQDIF数据格式存储，并将加工后的电能质量数据实时上传至地区管理子***，所述的地区管理子***用于连接数据采集子***和电能质量监测中心子***，并汇总和存储电能质量实时和历史数据，以及实现应用服务的功能，所述的电能质量监测中心子***功能包含地区管理子***的所有功能，相当于各地区管理子***的集合，是整个***的综合管理机构，负责管理主网架，以及对***电能质量污染严重的点、区域重点监控，对局域电网上传数据进行汇总，从而对整体电网运行的电能质量水平做出综合评估。

所述的数据采集子***包括DSP模块、ARM模块、信号调理模块、抗混叠滤波模块、A/D转换模块、UART串口通信、双口RAM、时钟电路、GPS定位、人机交互接口、通信模块，数据采集子***从现场采集到的电压、电流信号依次经信号调理模块、抗混叠滤波模块、A/D转换模块转换后传输给DSP模块，所述的信号调理模块用于把高电压和大电流信号转换成适合DSP模块处理的低电压和小电流信号，抗混叠滤波模块用于迫使经过信号调理模块的信号通过一个有限带宽的低通滤波器滤掉高频信号成分，使输入到A/D转换器的信号为有限带宽信号，并且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰，信号经DSP模块分析处理后形成电能质量数据及报警信息并将电能质量数据转换成PQDIF格式后传输至双口RAM，ARM模块将双口RAM中的电能质量数据进行读取，通过SD卡进行数据存储，DSP模块通过UART串口通信向ARM模块实时传送电能质量数据及报警信息，同时接收ARM模块的配置和控制命令，所述的通信模块包括USB接口、有线通信接口、无线通信接口，有线通信接口包括RS-485、CAN、以太网，无线通信接口即GPRS，USB接口用于本地下载电能质量数据，电能质量数据通过有线通信接口和无线通信接口传输至地区管理子***；所述的人机交互接口包括LCD显示屏以及触摸屏，LCD显示屏用于显示电能质量数据，触摸屏供工作人员对数据采集子***进行操作。所述的时钟电路和GPS定位，与DSP模块相连接，由DSP实现对其触发和控制。

所述的数据采集子***设置在发电厂、变电站、主网节点或重要电力用户。

所述的数据采集子***中DSP模块用TMS320F2812芯片，ARM模块用S3C2440芯片，A/D模块用ADS8364芯片，双口RAM用IDT7026芯片。

所述的地区管理子***包括数据库模块、Web模块、通信软件模块、专家分析模块、数据转发模块，所述的数据库模块中的数据库采用PQview数据库软件，所述的Web 模块Web服务器信息发布是基于B/S（Browser/Server）模式的，所述的数据转发模块用于建立与电力 MIS即管理信息***、SCADA即数据采集监控***的通信接口。

所述的电能质量监测中心子***由数据库服务器、Web服务器和管理终端构成，所述的电能质量监测中心子***实现的功能包括提供Web 浏览、自动接收各地区管理***的上报统计数据、支持合法用户登录后调阅各电能质量监测网的上报监测数据。

附图说明

图1为基于电力广域网的电能质量监测管理***结构示意图

图2为数据采集子***结构示意图

图3为地区管理子***结构示意图

具体实施方式

本发明提出的一种基于电力广域网电能质量监测管理***由数据采集子***、地区管理子***和电能质量监测中心子***三部分构成，通过分层、分权限实现对电网电能质量的分析和管理。

一，数据采集子***

数据采集子***以DSP和ARM为核心，以及一个双口RAM，包括DSP模块、ARM模块、信号调理模块、抗混叠滤波模块、A/D转换模块、串口通信、双口RAM、时钟电路、GPS定位、人机交互接口、通信模块等模块组成。实现的功能有数据采集与处理、数据标准化转换和数据的处理与发送，是一个集测量、控制、显示和通信于一体的智能电能监测装置。

数据采集子***由发电厂、变电站、主网节点、重要电力用户等单位的监测终端组成，***以DSP为核心，电流和电压互感器将采集到的电信号经A/D转换后传输给DSP模块，DSP模块经分析处理后将电能质量数据转换成PQDIF格式后传输至双口RAM。基于ARM的控制模块将双口RAM中的数据进行读取，通过SD卡进行数据存储。DSP模块通过UART串口可向ARM模块实时传送监测数据和报警信息，同时也可接收ARM模块的配置和控制命令。相应的电能质量几个重要监测指标（例如电压、电流、波形、谐波）可在LCD显示屏上显示出来供工作人员查看和选择，进而实现对***的操作控制。工作人员也可以通过USB接口进行下载。监测装置通过以太网（或CAN、RS-485）和GPRS实现远程通信，将采集到的电能质量数据传输至上一级地区管理子***。

1，  信号调理模块和抗混叠滤波模块

为了尽可能使采样到DSP的信号逼近于原始信号，需要把高电压和大电流信号转换成适合DSP处理的低电压和小电流信号。另外，除了信号幅值变换，还要有隔离和滤波，消除各种电磁干扰产生的高次谐波。信号调理模块电路由光电隔离器、霍尔效应的传感器、自动增益控制等电路组成，实现对电压和电流信号的精确采集,确保整体数据处理分析的精度。

抗混叠滤波电路是迫使信号通过一个有限带宽的低通滤波器滤掉高频信号成分，使输入到A/D转换器的信号为有限带宽信号，并且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰。由于我国的电网频率为50 Hz，若设计要求可测50次谐波，则可取低通滤波器的截止频率为2500Hz。

2，A/D转换模块

本发明中提出的A/D转换电路采用以低功耗6通道16位的A/D转换芯片ADS8364为数据采集芯片。

3，  DSP模块

本发明中提出的DSP模块选用TI公司的TMS320F2812，它是基于TMS320C28x内核，最高可运行在150MHz主频下，有32位数据地址和22位程序地址，寻址空间可达4MB的数据空间和4 MB的程序空间，16通道12位A/D，大量的通用I/O口，同时集成了UART、SPI、SCI、ECAN和看门狗等几乎所有常用的***接口。TMS320F2812是一种低功耗的32位定点DSP，具有DSP和多点控制器的双重功能，非常适合于要求较强运算能力和控制能力的场合。

4，ARM模块

本发明中提出的ARM模块采用Samsung公司的S3C2440处理器，S3C2440使用了ARM920T内核，是16/32位精简指令集微处理器。采用了0.18um技术标准，功耗低，非常适合需要控制成本和功耗应用的场合。ARM920T实现了MMU、AMBA总线及Harvard缓存结构，每行8字长度的独立16K指令缓存和数据缓存。芯片上集成的功能包括：分开的16K指令/数据缓存、SDRAM控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、IIC总线、IIS总线、SD主机接口、PWM定时器、看门狗、片上PLL时钟发生器、8通道10位AD控制器和触摸屏接口、摄像头接口以及带日历函数的实时时钟。S3C2440最高频率可达533MHz，且功耗只有mW级。因此非常适合于电能质量监测装置的数据显示、触摸屏操作、数据存储和远程通信。

5，  双口RAM

本发明中提出的双口RAM采用IDT7026，IDT7026是美国IDT公司开发研制的高速16k×16bit的双口静态RAM。它可允许两个端口同时进行高速读写数据，内含主/从控制脚，并具有标识器功能。双口RAM用于DSP模块和ARM模块间的高速数据交换，支持两个模块同时访问同一个存储单元，数据传输量大、传输速度快、接口电路简单。DSP模块经分析处理后将数据传输至双口RAM，ARM模块将双口RAM中的数据进行读取供进一步处理。

6，数据采集子***提供了串口接口，通过UART，DSP模块可向ARM模块实时传送监测数据和报警信息，同时也可接收ARM模块的配置和控制命令。

7， GPS（全球定位***）技术具有测量精度高、抗干扰能力强、可靠性高等特点，利用GPS技术实现的同步采样，其最大同步误差不超过±lus。将对应的测量数据打上“时间标签”，保证不同监测点的监测数据的同步性，提高数据的横向可比性。

8，通信模块

测量的电能质量数据通过通信模块来供进一步分析监测。工作人员可以就近的在监测点通过USB接口来下载数据，同时也可以通过有线通信接口(RS-485、CAN、以太网)或无线通信接口(GPRS)将数据传输至地区管理子***，多种通信方式的联合运用使监测分析更加多元化和智能化。

 二，地区管理子***

地区管理子***是整个***的核心部分，起到连接现场监测装置和省级电能质量监测中心的作用，相当于一个中间环节。所有实时和历史数据都要在此汇总和存储，许多应用服务的功能也在此处得以实现。地区管理子***一般以市级供电公司为单位，由局域网的PQview数据库服务器和基于B/S（Browser/Server）模式的Web 服务器构成。包括数据库模块、Web模块、专家分析模块、通信软件模块、数据转发模块等模块。通过Web可以浏览到包括WebGIS界面、数据分析及报表、数据查询及显示和趋势波形曲线。

其功能主要包括：

1，  手动或自动（可选）接收各数据采集子***上传的实时监测数据至PQview数据库存储。

2，  电能质量指标实时、历史数据通过web以浏览器页面方式在局域网内有权限的用户终端上浏览，包括数据的文本、棒状图、趋势图显示等。

3，  历史数据的统计分析、显示及标准上报报表的输出。统计类型包括日统计、月统计、年统计及任意时段统计；报表类型包括谐波电压统计月报表、谐波电流统计月报表、综合非谐波电能质量指标统计月报表。

4，  专家分析模块通过对主站PQView数据库中的数据进行分析，实现对所辖区内电能质量数据的统计、区域电能质量的综合评估和趋势预测，并通过Web发布。

5，  数据转发模块则协调各子***间的数据传输，并上传地区电能质量分析报表到电能质量监测中心***。同时建立与电力 MIS（管理信息***）、SCADA（数据采集监控***）等的通信接口，交换相关信息，为该区域电网电能质量的综合评估提供有力的技术数据。

 三，电能质量监测中心子***

电能质量监测中心子***一般以省级电网为基础，全面包含了地区管理子***的所有功能，相当于各地区管理子***的集合。由数据库服务器、Web 服务器和管理终端构成，是整个***的综合管理机构，负责管理主网架，以及对***电能质量污染严重的点、区域重点监控，有更先进的分析和管理软件，对局域电网上传数据进行汇总，从而对整体电网运行的电能质量水平做出综合评估，包括对事件的分析与判断、电能质量的预报、故障及质量下降的诊断分析、改善质量的控制指令等。最后形成全省的电能质量分析报告。

其主要功能包括：

1，  提供与电网电能质量知识信息相关的 Web 浏览，如相关标淮、文献、电能质量监测与治理最新动态、电能质量相关问题论坛、地区监测网的超级链接等。

2，  自动接收各地区管理***的上报统计数据；自动接收***内主要电能质量污染源监测点上传的实时数据，如 220 kV ***直供的大型钢厂、电气化铁路和地铁接入***的变电站；自动接收***内中枢点变电站在监测指标越限时上传的实时数据。

3，  合法用户登录后，可调阅各电能质量监测网的上报监测数据；对一些没有联网监测装置的市供电公司的电能质量专职用户，可实现手工填报统计数据的上报工作。

4，  可进行各种形式的实时与历史监测数据的查询工作，实现地区管理子***Web浏览的全部功能。

5，  可定期按要求完成全网电能质量的综合评估工作，并对电网运行中出现的各种暂态现象及故障情况能从电能质量的角度提供监测分析数据。

6， 如果将该***安装于市供电公司局域网上的服务器中，且应用级别设置为市供电公司时，即可实现对应地区管理子***的所有功能。

 本发明提出的一种基于电力广域网的电能质量监测管理***，克服了传统的电能质量监测形式单一、数据格式不统一、管理和分析困难等缺陷，***由数据采集子***、地区管理子***和电能质量监测中心子***三部分构成，通过分层、分权限实现对电网电能质量的分析和管理。基于DSP和ARM的数据采集子***，可以精确的采集到电能质量数据并能及时上传至地区管理子***存储和分析，统一的PQView数据处理平台及功能强大的专家***能分区域、分时段、分性质地生成谐波分析报告、暂降分析报告及综合评估报告；基于Web的多元化的信息查询***方便电能质量管理人员了解和掌握区域电网某一段时间内的运行状况及长期趋势走向，这一切都为供电部门掌握电网运行参数、制定切实可行的管理计划提供了有利帮助，优化了电能质量管理工作。 

Claims (6)

1.一种基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征在于，该***由数据采集子***、地区管理子***和电能质量监测中心子***三部分构成，所述的数据采集子***用于将从现场采集到的电压、电流信号加工处理，以PQDIF数据格式存储，并将加工后的电能质量数据实时上传至地区管理子***，所述的地区管理子***用于连接数据采集子***和电能质量监测中心子***，并汇总和存储电能质量实时和历史数据，以及实现应用服务的功能，所述的电能质量监测中心子***功能包含地区管理子***的所有功能，相当于各地区管理子***的集合，是整个***的综合管理机构，负责管理主网架，以及对***电能质量污染严重的点、区域重点监控，对局域电网上传数据进行汇总，从而对整体电网运行的电能质量水平做出综合评估。

2.根据权利要求1所述的基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征是：所述的数据采集子***包括DSP模块、ARM模块、信号调理模块、抗混叠滤波模块、A/D转换模块、UART串口通信、双口RAM、时钟电路、GPS定位、人机交互接口、通信模块，数据采集子***从现场采集到的电压、电流信号依次经信号调理模块、抗混叠滤波模块、A/D转换模块转换后传输给DSP模块，所述的信号调理模块用于把高电压和大电流信号转换成适合DSP模块处理的低电压和小电流信号，抗混叠滤波模块用于迫使经过信号调理模块的信号通过一个有限带宽的低通滤波器滤掉高频信号成分，使输入到A/D转换器的信号为有限带宽信号，并且以很小的衰减让有效的频率信号通过，而抑制这个频带以外的频率信号，从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰，信号经DSP模块分析处理后形成电能质量数据及报警信息并将电能质量数据转换成PQDIF格式后传输至双口RAM，ARM模块将双口RAM中的电能质量数据进行读取，通过SD卡进行数据存储，DSP模块通过UART串口通信向ARM模块实时传送电能质量数据及报警信息，同时接收ARM模块的配置和控制命令，所述的通信模块包括USB接口、有线通信接口、无线通信接口，有线通信接口包括RS-485、CAN、以太网，无线通信接口即GPRS，USB接口用于本地下载电能质量数据，电能质量数据通过有线通信接口和无线通信接口传输至地区管理子***；所述的人机交互接口包括LCD显示屏以及触摸屏，LCD显示屏用于显示电能质量数据，触摸屏供工作人员对数据采集子***进行操作,所述的时钟电路和GPS定位，与DSP模块相连接，由DSP实现对其触发和控制。

3.根据权利要求1所述的基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征是：所述的数据采集子***设置在发电厂、变电站、主网节点或重要电力用户。

4.根据权利要求2所述的基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征是：所述的数据采集子***中DSP模块用TMS320F2812芯片，ARM模块用S3C2440芯片，A/D模块用ADS8364芯片，双口RAM用IDT7026芯片。

5.根据权利要求1所述的基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征是：所述的地区管理子***

包括数据库模块、Web模块、通信软件模块、专家分析模块、数据转发模块，所述的数据库模块中的数据库采用PQview数据库软件，所述的Web 模块Web服务器信息发布是基于B/S（Browser/Server）模式的，所述的数据转发模块用于建立与电力 MIS即管理信息***、SCADA即数据采集监控***的通信接口。

6.根据权利要求1所述的基于电力广域网的电能质量监测管理***，其特征是：所述的电能质量监测中心子***由数据库服务器、Web服务器和管理终端构成，所述的电能质量监测中心子***实现的功能包括提供Web 浏览、自动接收各地区管理***的上报统计数据、支持合法用户登录后调阅各电能质量监测网的上报监测数据。

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